- 工程前沿 -
 引 en
×

分享给微信好友或者朋友圈

使用微信“扫一扫”功能。

改性碳纤维的制备及其增强PTFE复合涂层摩擦学性能

  • 蒋国强1

    机 构：

    1. 江南大学 机械工程学院, 无锡 214100

    ×
  • ， 郭永信1

    机 构：

    1. 江南大学 机械工程学院, 无锡 214100

    ×
  • ， 刘雅玄1

    机 构：

    1. 江南大学 机械工程学院, 无锡 214100

    ×
  • ， 卞达1,2

    机 构：

    1. 江南大学 机械工程学院, 无锡 214100

    2. 江南大学 江苏省先进食品制造装备技术重点实验室, 无锡 214100

    ×
  • ， 赵永武1,2

    机 构：

    1. 江南大学 机械工程学院, 无锡 214100

    2. 江南大学 江苏省先进食品制造装备技术重点实验室, 无锡 214100

    ×

1. 江南大学 机械工程学院, 无锡 214100；
2. 江南大学 江苏省先进食品制造装备技术重点实验室, 无锡 214100；

Preparation of Modified Carbon Fiber and Its Influence on Tribological Properties of PTFE Composite Coating

  • JIANG Guoqiang1

    Affiliation：

    1. School of Mechanical Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214100 ,China

    ×
  • ， GUO Yongxin1

    Affiliation：

    1. School of Mechanical Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214100 ,China

    ×
  • ， LIU Yaxuan1

    Affiliation：

    1. School of Mechanical Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214100 ,China

    ×
  • ， BIAN Da1,2

    Affiliation：

    1. School of Mechanical Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214100 ,China

    2. Jiangsu Key Laboratory of Advanced Food Manufacturing Equipment and Technology, Jiangnan University, Wuxi 214100 ,China

    ×
  • ， ZHAO Yongwu1,2

    Affiliation：

    1. School of Mechanical Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214100 ,China

    2. Jiangsu Key Laboratory of Advanced Food Manufacturing Equipment and Technology, Jiangnan University, Wuxi 214100 ,China

    ×

1. School of Mechanical Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214100 ,China；
2. Jiangsu Key Laboratory of Advanced Food Manufacturing Equipment and Technology, Jiangnan University, Wuxi 214100 ,China；

通讯作者:

卞达(1990—),男(汉),讲师,博士;研究方向:表面工程;E-mail:biand@jiangnan.edu.cn

中图分类号:TH117.1

文献标识码:A

文章编号:1007-9289(2020)05-0090-09

DOI:10.11933/j.issn.1007-9289.20200718001

参考文献 1
SHI Y J,FENG X,WANG H Y,et al.Tribological proper-ties of PTFE composites filled with surface-treated carbon fi-ber[J].Journal of Materials Science,2007,42(20):8465-8469.
查找原文
参考文献 2
程梦萱,吕建峰,程鑫,等.聚四氟乙烯/MoS2 复合材料的制备及性能研究[J].广东化工,2020,47(3):1-2.CHENG M X,LU J F,CHENG X,et al.Preparation and properties of PTFE/MoS2 composite materials [J].Guang-dong Chemical Industry,2020,47(3):1-2(in Chinese).
查找原文
参考文献 3
章玉丹,丁庆军,赵盖,等.碳纤维改性 POB/PTFE 基超声电机耐磨涂层[J].塑料,2015,44(5):70-73.ZHANG Y D,DING Q J,ZHAO GAI,et al.Carbon fiber modified POB/PTFE based ultrasonic motor wear-resistant coating[J].Plastics,2015,44(5):70-73(in Chinese).
查找原文
参考文献 4
TRABELSIM M,KHARRAT M,DAMMAK M.Impact of lubrication on the tribological behaviour of PTFE composites for guide rings application[J].Bulletin of Materials Science,2016,39(5):1205-1211.
查找原文
参考文献 5
吴昊,朱丽娜,岳文,等.PTFE 复合涂层的摩擦学性能及疏水性能研究现状[J].材料导报,2018,32(增刊 1):284-288.WU H,ZHU L N,YUE W,et al.Research status of tribo-logical properties and hydrophobic properties of PTFE com-posite coatings[J].Materials Herald,2018,32(S1):284-288(in Chinese).
查找原文
参考文献 6
LIU Y D,KUMAR S.Recent progress in fabrication,struc-ture,and properties of carbon fibers[J].Polymer Reviews,2012,52(3-4):234-258.
查找原文
参考文献 7
SUN S Y,HE Y D,WANG X D,et al.Flammability char-acteristics and performance of halogen-free flame-retarded polyoxymethylene based on phosphorus-nitrogen synergistic effects[J].Journal of Applied Polymer Science,2010,118(1):611-622.
查找原文
参考文献 8
谢苏江,谢文谦.石墨烯/聚四氟乙烯复合密封材料的制备及性能研究[J].润滑与密封,2018,43(9):104-107,140.XIE S J,XIE W Q.Preparation and performance study of graphene/polytetrafluoroethylene composite sealing materials [J].Lubrication and Sealing,2018,43(9):104-107+14(in Chinese).
查找原文
参考文献 9
ZHANG Y Y,ZHANG Y Z,LIU Y,et al.A novel surface modification of carbon fiber for high-performance thermoplas-tic polyurethane composites [J].Applied Surface Science,2016,382:144-154.
查找原文
参考文献 10
董凤霞,侯国梁,刘亮,等.稀土改性对碳纤维增强聚酰亚胺复合材料在不同温度下摩擦学性能的影响[J].摩擦学学报,2017,37(2):148-154.DONG F X,HOU G L,LIU L,et al.Effect of rare earth modification on tribological properties of carbon fiber rein-forced polyimide composites at different temperatures [J].Journal of Tribology,2017,37(2):148-154(in Chi-nese).
查找原文
参考文献 11
HE,W Y,SHI Y F,LIN J J,et al.Effects of poly(oxyeth-ylene)-block structure in polyetheramines on the modified carbon nanotube/poly(lactic acid)composites[J].Compos-ites Part A-applied Science and Manufacturing,2015,78:18-26.
查找原文
参考文献 12
王莉,黄应军,周柏青,等.改性碳纤维/有机硅复合材料的制备及力学性能研究[J].化工新型材料,2019,47(12):50-53.WANG L,HUANG Y J,ZHOU B Q,et al.Preparation and mechanical properties of modified carbon fiber/silicone com-posite materials [J].New Chemical Materials,2019,47(12):50-53(in Chinese).
查找原文
参考文献 13
李娜,李晓屿,刘丽,等.电泳沉积氧化石墨烯的碳纤维表面改性及其增强树脂复合材料界面性能[J].复合材料学报,2020,37(7):1571-1580.LI N,LI X Y,LIU L,et al.Surface modification of electro-deposited graphene oxide carbon fiber and its reinforced inter-face properties of resin composites[J].Journal of Compos-ites,2020,37(7):1571-1580(in Chinese).
查找原文
参考文献 14
MOSEENKOV S I,KRASNIKOV D V,KAZAKOVA M V,et al.Modification of the surface of carbon fibers with multi-walled carbon nanotubes and its effect on mechanical charac-teristics of composites with epoxy resin[J].Russian Journal of Applied Chemistry,2016,89(12):1969-1977.
查找原文
参考文献 15
王新鹏,田莳.碳化硅纤维增强磷酸铝基复合材料的制备和性能研究[J].功能材料,2005(11):1693-1695+ 1700.WANG X P,TIAN S.Research on preparation and perform-ance of silicon carbide fiber reinforced aluminum phosphate composites[J].Functional Materials,2005(11):1693-1695+1700(in Chinese).
查找原文
参考文献 16
FRANCK V,LLARIA B,ARNAUD T,et al.Reactivity of bis[3-(triethoxysilyl)propyl] tetrasulfide(TESPT)silane coupling agent over hydrated silica:Operando IR Spectrosco-py and Chemometrics Study[J].Journal of Physical Chemis-try C,2014,118(8):4056-4071.
查找原文
参考文献 17
HUANG A,PENG X F,TURNG L.In-situ fibrillated polytetrafluoroethylene(PTFE)in thermoplastic polyure-thane(TPU)via melt blending:Effect on rheological behav-ior,mechanical properties,and microcellular foamability [J].Polymer,2018,134:263-274.
查找原文
参考文献 18
张万卿,李洪春,马海瑞.碳纤维增强聚四氟乙烯材料微观结构[J].火箭推进,2019,45(2):74-78.ZHANG W Q,LI H C,MA H R.Microstructure of carbon fiber reinforced PTFE material [J].Rocket Propulsion,2019,45(2):74-78(in Chinese).
查找原文
参考文献 19
裴高林,李红波,苏正涛.不同固体润滑填料对聚四氟乙烯性能的影响[J].工程塑料应用,2020,48(6):122-127.PEI G L,LI H B,SU Z T.The effect of different solid lubri-cating fillers on the properties of PTFE[J].Engineering Plas-tics Application,2020,48(6):122-127(in Chinese).
查找原文
参考文献 20
HARRIS K L,PITENIS A A,SAWYER W G,et al.PTFE tribology and the role of mechanochemistry in the develop-ment of protective surface films[J].Macromolecules,2015,48(11):3739-3745.
查找原文
参考文献 21
ZHANG X L,PEI X Q,ZHANG J P,et al.Effects of car-bon fiber surface treatment on the friction and wear behavior of 2D woven carbon fabric/phenolic composites[J].Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects,2009,339(1):7-12.
查找原文
参考文献 22
王瑞柳,徐广标,何越超.聚四氟乙烯(PTFE)纤维结构、性能与应用研究进展[J].纺织科学与工程学报,2018,35(3):113-117.WANG R L,XU G B,HE Y C.Research progress of polytetrafluoroethylene(PTFE)fiber structure,properties and applications [J].Journal of Textile Science and Engi-neering,2018,35(3):113-117(in Chinese).
查找原文
目录contents

    摘要

    以磷酸二氢铝(AP)为粘结剂,采用喷涂-热固法制备的聚四氟乙烯(PTFE)复合涂层硬度不高,抗磨性能差, 填充碳纤维(CF)能显著改善涂层的综合性能。 为提高 CF 与涂层界面强度,通过双-[γ-(三乙氧基硅基)丙基]四硫化物(Si69)偶联剂对 CF 表面进行改性处理,制得改性碳纤维(MCF)。 利用 FTIR、EDS 和 SEM 对改性前后 CF 的组成、元素及形貌进行表征。 利用摩擦磨损试验机和扫描电子显微镜对填充不同 MCF 含量的 PTFE 复合涂层的摩擦学性能进行研究。 结果表明:Si69 偶联剂成功接枝到 CF 表面,使得 CF 表面粗糙化,增强了碳纤维与复合涂层界面结合强度; MCF 能显著改善涂层摩擦学性能,且随着 MCF 的含量增加,涂层的硬度和耐磨性能明显提高;涂层的摩擦因数随着 MCF 含量的增加有所增大,在涂层中填充质量分数为 4% 的 MCF 时,涂层综合摩擦学性能最好,其硬度达到 12. 5 HV, 摩擦因数为 0. 091,磨损率仅为 2. 24×10 -4 mm 3 / (N·m),且涂层表面均匀致密。

    Abstract

    Polytetrafluoroethylene ( PTFE) composite coating prepared with aluminum dihydrogen phosphate (AP) as the binder by the spray-thermosetting method shows low hardness and poor wear resistance. Carbon fiber (CF) was added into the coating as a filler to improve the comprehensive performance of the coating. In order to improve the interface bond between CF and the coating, CF was modified by bis-[γ-(triethoxysilyl)propyl] tetrasulfide (Si69) coupling agent to obtain modified carbon fiber (MCF). FTIR, EDS and SEM were used to characterize the composition, elements and morphology of CF before and after modification. In addition, the tribological properties of PTFE composite coatings reinforced with different content of MCF were studied using a tribological tester and a scanning electron microscope. Results show that the Si69 coupling agent is successfully grafted to the surface of CF, which roughens the surface of CF and enhances the bond between CF and the coating. Besides, MCF can significantly improve the tribological properties of the coating. With the increase of MCF, the hardness and wear resistance of the coating are significantly improved. The friction coefficient of the coating slightly increases with the increase of MCF. The coating shows the best tribological performance via adding 4% MCF(mass friction). Its hardness reaches 12. 5HV, the friction coefficient is 0. 091, and the wear rate is only 2. 24×10 -4 mm 3 / (N·m). Besides the coating surface is uniform and dense.

  • 0 引言

  • 聚四氟乙烯( PTFE) 因其低摩擦系数、高温稳定性及耐化学性等[1-2]优异的性能而在众多领域得到广泛应用。但PTFE硬度较低,耐磨性差, 这大大限制了单相PTFE材料的应用,对PTFE进行复合化处理是一种有效的改进方法[3-5]。碳纤维(CF)具有比强度高、耐磨损、耐疲劳、热膨胀系数小以及自润滑性能好等特点, 还具有一定的长径比,能起到稳定基体的作用,常作为增强纤维用于提高复合材料耐磨损性和硬度[6-8]。 CF增强复合材料的性能在很大程度上取决于CF与基体之间的界面结合强度[9]。但是,碳纤维表面光滑,缺少活性基团、反应活性低、惰性强等因素使其无法与聚合物基团形成强的界面结合[10-11],因此需要对其表面进行改性处理。王莉等[12]使用乙烯基三叔丁基过氧硅烷(VTPS)对碳纤维表面进行改性,引入的乙烯基能够参与交联反应,促进硫化过程,改性后的碳纤维能有效增强复合材料的力学性能。李娜等[13] 采用超声辅助电泳沉积法,以异丙醇作为溶剂,在连续碳纤维表面沉积一层氧化石墨烯(GO),对CF表面进行改性,使复合材料的界面剪切强度(IFSS)提高了69.9%。 Moseenkov等[14] 确定了催化剂( FeCo)的最佳表面浓度,该浓度可使均匀的纳米管层在CF表面上进行改性,增大了挠曲模量和挠曲强度。国内外对碳纤维改性主要是为提高其力学性能和物理性能,在增强聚四氟乙烯涂层摩擦学性能方面的研究较少。此外,以无机粘结剂磷酸二氢铝(AP)制备的PTFE复合涂层,在固化过程中发生脱水和相变, 从而残留下一定气孔[15],而填充MCF可以改善涂层质量。

  • 研究发现,双-[γ-(三乙氧基硅基)丙基]四硫化物(Si69)是多硫长链功能性硅烷偶联剂,能促进极性表面与疏水性有机物相互作用形成聚合物基质的链,进而能够明显提高纤维表面粗糙程度[16]。基于Si69 偶联剂优异的性能,笔者选择Si69 偶联剂对CF进行表面处理,研究了经Si69 偶联剂改性后的CF表面形貌、官能团及表面元素;将改性碳纤维(MCF)填充到PTFE复合涂层中,对填充不同含量MCF的PTFE复合涂层进行摩擦学性能研究。

  • 1 试验部分

  • 1.1 试验材料

  • 所用试验材料如下:聚四氟乙烯分散乳液, 浙江巨化股份有限公司;磷酸二氢铝,山东优索化工科技有限公司;氧化铝,型号ALPNA,耐博检测技术(上海)有限公司;碳纤维,25 μm,成都佳材科技有限公司;双-[γ-(三乙氧基硅基)丙基] 四硫化物( Si69),国药集团化学试剂有限公司; 浓硝酸,昆山金城试剂有限公司;硅烷偶联剂KH-560,江苏晨光涂料有限公司;醇酯十二,山东优索化工科技有限公司;乙醇,国药集团化学试剂有限公司;3.0 mm厚喷砂本色阳极氧化铝块,型号6061 铝,深圳弘泰五金模具有限公司。

  • 1.2 基体预处理

  • PTFE涂层基体为厚度3 mm、直径30 mm的圆形铝块,其表面已进行喷砂和阳极氧化处理。首先,用砂纸打磨表面去除氧化皮,完成粗糙化处理;其次,用丙酮去除油污;接着,使用超声波清洗机(型号BG-06C,广州邦杰电子有限公司) 对基体表面的污垢进行处理20 min;最后,使用蒸馏水和乙醇清洁表面。

  • 1.3 试验过程

  • 1.3.1 CF表面改性处理

  • 首先,为了除去CF表面胶质,提高CF表面粗糙和活性表面能,将CF浸泡在无水乙醇中,超声清洗30 min,去离子水清洗干净,放于烘箱95℃ 干燥,经上述处理后的CF定义为未改性CF。然后,用65%(质量分数)浓硝酸对CF进行预处理,85℃ 水浴中处理90 min,去离子水清洗干净。量取质量分数分别为70%、20%、10%的无水乙醇、Si69 偶联剂及去离子水,常温下混合搅拌30 min。将预处理CF置于配好的Si69 混合液中, 温度80℃, 搅拌处理3 h,清洗干燥。

  • 1.3.2 CF增强PTFE复合涂层的制备

  • 涂层主要材料为PTFE复合涂层底漆基料(包括PTFE分散乳液、AP粘结剂、Al2O3 填充物以及辅助材料),PTFE复合涂层面漆基料(包括PTFE分散乳液、AP粘结剂以及辅助材料)。聚四氟乙烯颗粒在约328℃ 的熔融温度(TM)下加工后会变成纤维状[17]。涂层的制备方法如下:准备底漆基料和面漆基料,将MCF填入面漆基料, 充分搅拌2 h;在经过预处理的铝块上喷涂底漆; 在干燥箱中干燥底漆( 热固温度为150℃ × 20 min),冷却至室温;喷涂面漆,然后烧结样品。由于涂层内部含有较多的吸附水和结合水,因此涂层的烧结过程不能过快,缓慢升温确保加热均匀,采用梯度固化方式:加热固化。固化温度: 50℃( 保温10 min), 100℃( 保温10 min), 150℃(保温10 min),350℃(保温10 min)。具体烧结固化过程如图1 所示。

  • 图1 涂层烧结固化过程图

  • Fig.1 Sintering and curing process of coating

  • 喷涂的具体参数如下:喷涂枪喷嘴直径为2.0 mm,喷涂压力为0.25~0.3 MPa,喷嘴与喷涂基体表面之间的距离为10 cm。烧结后,涂层的表面粗糙度为 Ra2.2~2.8 μm,涂层的厚度为55~65 μm。表1 为不同CF含量的PTFE复合涂层的面漆组成成分。当填充的MCF质量分数w(MCF)为8%时,填充的含量过高,会导致面漆基料变得浓稠,且制备的涂层表面比较粗糙,疏水性能会显著降低,因此选择质量分数为0~6%的MCF进行研究。

  • 表1 不同MCF含量的PTFE复合涂层的面漆组成成分

  • Table1 Composition of topcoat of PTFE composite coating with different MCF content

  • 1.4 试验表征

  • 傅里叶变换红外光谱仪( FTIR; Nicolet is5,美国赛默飞世尔科技公司)用于检测CF的化学结构;用扫描电子显微镜(SEM; evo18,德国蔡司精密仪器制造公司)观察改性前后CF的表面微观形貌和CF填充涂层断面形貌图,再根据EDS面分布图分析MCF表面的化学元素;使用数字显微硬度计(HVS-1000zcm-xy,上海索岩检测仪器仪表有限公司)测量涂层的维氏硬度,其参数设定:载荷为0.1 N,保载时间为15 s;利用摩擦磨损试验机(MTF-5000,美国Rtec公司)对涂层摩擦学性能进行测量,对磨副为9 mm氮化硅小球,其参数设置如下:采用频率为1 Hz的往复运动,加载载荷为10 N,负载时间为10 min;使用3D表面形貌仪(mfp-d,美国Rtec公司)观察涂层的三维形貌以及磨损痕迹并计算涂层的磨损量; 通过扫描电子显微镜观察涂层的磨损痕迹,并分析涂层的磨损机制。磨损率 W3 通过以下公式计算得到:

  • W3=VSF=ALSF
    (1)

  • 式中:V 为总磨损体积,S 为滑动距离,F 为施加载荷,A 为磨损面横截面积,L 为滑动位移。

  • 2 结果与讨论

  • 2.1 CF改性前后表面形貌SEM分析

  • 无水乙醇预处理的CF经Si69 偶联剂改性过后,其表面会发生显著变化。图2 为碳纤维改性前后的SEM。由图2(a)可见,未改性的CF为棒状,由于短切CF屑状粉末的存在,故表面附有少量片状杂质,但整体十分光滑。由于碳纤维原始的结构,没有其他活性基团,故存在与PTFE骨料间界面结合弱的问题。分析图2( b) 可知,改性的CF表面覆盖了一层致密均匀的Si69 偶联剂薄膜,屑状碳纤维紧密黏附在CF表面,进而使CF表面变粗糙,故经Si69 改性CF的表面活性得到增强,从而使得CF易于作为PTFE涂层的增强相。

  • 2.2 MCF化学结构与元素表征

  • 图3 为CF改性前后的FTIR图谱。由图3 可知,未改性的CF谱图十分光滑(图3 中1 线所示),没有出现明显的峰值,不存在基团,表明其表面活性较差。而经过Si69 偶联剂改性处理的CF(图3 中2 线所示)在3403 cm-1 和1604 cm-1 附近的宽吸收峰代表游离态水的-OH的伸缩振动吸收峰和弯曲振动吸收峰。在2926 cm-1、 1406 cm-1 处各出现了一个特殊吸收峰,分别为CH3O-对称伸缩振动吸收峰和反对称弯曲振动的特征峰。 Si-O-C的伸缩振动峰出现在1240 cm-1 处,表明了CF的羟基与Si69 偶联剂的羟基会发生反应,也证明了偶联剂本身会相互反应生成长链。同时,Si-O-Si反对称伸缩振动峰在1070 cm-1 处出现很强的吸收带,Si-OH的伸缩振动峰出现在949 cm-1 处,说明经浓HNO3 氧化的CF表面的羧基与Si69 偶联剂的羟基发生了缩合反应生成化学键,使Si69 成功接枝到CF表面。

  • 图2 碳纤维改性前后的SEM

  • Fig.2 SEM before and after CF modification

  • 图3 CF改性前后的FTIR图谱

  • Fig.3 FTIR spectrum before and after CF modification

  • 为了进一步分析改性后CF的成分和含量, 对MCF进行EDS元素成像定性和半定量分析。如图4 所示为MCF不同元素的面EDS分布图。图4(a)框内MCF为面扫区域,可以看出MCF表面被一层致密的硅烷薄膜覆盖,上面紧密附着一些块状颗粒,与图2 的MCF微观形貌图对应。结合图4(b) 和图4( c) 元素含量分析,可知C、O、 Si、S元素在整块MCF上的分布比较均匀,其含量分别为54.63%、12.54%、12.65%和20.18%。其中Si和S元素全部来源于Si69,且所占元素质量分数较大,表明Si69 偶联剂在CF上接枝量较大。 O/C比(质量分数比)可用来表征在CF上引入含氧新官能团的含量,经Si69 改性处理后的O/C达到23.0%,说明在MCF表面引入许多羟基等含氧的新官能团,与上述红外光谱结果相对应。

  • 图4 MCF的元素面分布EDS图像

  • Fig.4 EDS image of MCF element surface distribution

  • 结合改性CF前后的表面形貌、化学结构与元素表征分析可知,经Si69 偶联剂接枝改性的CF表面变粗糙,其表面活性显著提高,有利于增强CF与涂层的结合强度。图5 为Si69 偶联剂接枝MCF原理图。

  • 图5 Si69 偶联剂接枝MCF原理图

  • Fig.5 Si69 coupling agent grafted MCF schematic

  • 2.3 MCF填充对涂层断面形貌影响

  • 如图6 所示为PTFE复合涂层的断面微观形貌图。将MCF填入PTFE复合涂层中,研究涂层的微观结构,聚四氟乙烯是由结晶薄片与无序非晶相间的 “ 带状结晶” 构成的聚集体[18]。如图6(a)所示,当涂层内未填充MCF时,涂层断面较为平整。但纯PTFE承载能力低、耐磨损性能较差且易出现“冷流” 现象[19],经高温易团聚形成团聚体,不能均匀分散。 AP粘结剂在高温下自身会发生聚合反应,形成应力集中,增加涂层内部缺陷,会出现孔洞和分层缺陷。涂层中填入4%MCF(质量分数)时,如图6( b)所示,从断面可看到MCF,且PTFE骨料和粘结剂紧密包裹着MCF,无明显间隙,结合良好。由于MCF的填入,“带状结晶” PTFE会向同一方向生长, 且互相缠绕形成致密均匀的表面,很明显改善涂层的缝隙和分层现象。与PTFE涂层结合紧密的MCF与涂层共同承担外部载荷,有效保护PTFE涂层因摩擦导致的材料剥离,从而在很大程度上提高涂层的耐磨性能。

  • 图6 PTFE复合涂层的断面SEM

  • Fig.6 Section SEM of PTFE composite coating

  • 2.4 涂层的摩擦学性能表征

  • 图7( a) 显示了不同MCF下PTFE复合涂层的维氏硬度。随着MCF含量增多,涂层的硬度整体呈显著上升趋势。当MCF质量分数从0%增加到6%,涂层的硬度从9.8 HV急剧提高到14.1 HV,硬度值提高了43.9%,这是由于填充的增强材料MCF无规则分布在复合材料中承担部分由硬度测试过程产生的载荷。其优异的纵向强度和弹性模量,减轻了基体材料的塑性变形,从而提高了PTFE涂层的硬度。且经过Si69 偶联剂改性处理的CF表面也更加粗糙,粘结剂能更有效地填充在骨料与纤维之间的空隙中,提高涂层的致密性,从而提高了涂层表面的硬度。

  • 图7 不同MCF下PTFE复合涂层的摩擦学性能表征

  • Fig.7 Characterization of the tribological properties of PTFE composite coatings under different MCFs

  • 图7(b)所示为不同含量MCF下PTFE复合涂层的摩擦因数。由图7( b) 可知,在填充不同质量分数(0%、2%、4%、6%)的MCF下,PTFE复合涂层的摩擦因数分别为0.082、0.085、0.091、 0.096。在摩擦的过程中由于转移膜的形成,涂层的摩擦因数在4 min后逐渐达到平稳状态。聚四氟乙烯(PTFE)具有化学惰性,低摩擦因数[20], 故不添加CF的PFTE复合涂层摩擦因数最小。涂层的摩擦因数随着CF含量增加而增大,且增幅较为明显。这是由于CF与PTFE之间存在两相兼容性,摩擦因数会有一定的增大。而MCF质量分数为4%的涂层更易形成转移膜,最早达到稳定摩擦阶段。

  • 图7( c)所示分别为不同MCF下PTFE复合涂层的磨痕轮廓图,据此研究不同MCF含量下PTFE复合涂层磨损率高低。结合两者可知,在摩擦过程中,对磨小球与涂层表面接触时,首先挤压涂层,使涂层接触位置发生形变,磨痕两侧产生较为明显的突起。添加MCF质量分数分别为0%、2%和4%的涂层磨痕表面比较光滑,磨损量随MCF增加而减少,耐磨性能有了显著的提高。由于涂层硬度的提升, 磨痕深度随之减少。表2 显示了涂层的磨损结果。

  • 不添加MCF时,涂层磨痕深度为9.59 mm, 磨损率达到3.20×10-4 mm 3/(N·m),其两侧的塑性变形比较明显。填充6%MCF(6%为质量分数,下同) 的涂层的磨损率达到最小值,但MCF过多,磨痕表面不够光滑。当w(MCF)=4%,与纯PTFE相比,磨痕深度减少了40.8%,磨损率降低37.8%。产生这种变化趋势的原因是:MCF的加入可以提高复合材料的耐磨损性能,随着PTFE基体被磨损,裸露的MCF能够承受剪切力而保护基体[21]。可知,填充4%MCF不仅能显著提高涂层的耐磨性能,还能维持涂层磨痕表面的连续性,降低摩擦因数。

  • 表2 涂层的磨损结果

  • Table2 Coating wear results

  • Notes: W1 is the wear depth of different AP content; W2 is the wear loss of different AP content;W3 is the wear rate of different AP content.

  • 2.5 涂层的磨损机理研究

  • 图8 为用PTFE复合涂层润滑的对磨小球表面的EDS分析图。从图8 可看出在对磨小球磨痕处附着许多片状材料,经过EDS元素分析,该附着材料主要化学元素为C、F、Al、O、P,可判定为PTFE复合涂层材料,故可知在摩擦过程中一部分材料会从基体中脱离,并且转移附着在对偶摩擦表面上,表明涂层与对磨小球摩擦时会产生转移膜,从而降低摩擦因数。从图8( a)可知,对磨陶瓷小球磨痕表面十分光滑,且紧密附着大量的涂层材料,对应图7(c),在不填充MCF时,磨损转移量明显增大。由于在摩擦过程中,转移到对磨小球的材料与涂层能隔离摩擦表面,起到一定的减摩效果。从图8( b) 可知,对磨小球表面磨痕清晰,出现明显的犁沟,但只附着了少量的涂层材料,表明填充4%MCF使PTFE复合涂层材料能紧密粘合。由于磨损转移量较少,故形成的转移膜较少,对应图7(b)中,填充MCF含量越高,摩擦因数越大。结合图8(c)和图8(d)可知, 对磨小球磨痕表面附着材料有C、F、Al、O、P元素。含量占比高的C与F主要来自于PFPE氟碳基,部分C元素来自MCF,转移材料能够很好地附着于摩擦表面,起到很好的减摩效果。 Al、 O、P主要来自无机粘结剂和Al2O3 填充物。相比不填充MCF,填充4%MCF的PTFE复合涂层转移到对磨小球摩擦的材料明显减少,验证了由于MCF的填充,会有更多的粘结剂紧密包裹着PTFE,使得PTFE复合涂层与MCF共同承受载荷。

  • 图8 用PTFE复合涂层润滑的对磨小球表面的EDS分析图

  • Fig.8 EDS analysis diagram of the surface of the grinding ball lubricated with PTFE composite coating

  • 由EDS结果分析出,在摩擦时,基体材料向对偶摩擦表面转移,这样就产生了一个强附着力和连贯的转移膜。图9 所示为不同含量MCF下PTFE复合涂层磨痕SEM图。它显示了在2000 倍扫描电子显微镜下不同含量MCF下PTFE复合涂层磨痕形貌图。相比于未填充MCF,在涂层中加入MCF,磨痕表面均匀致密,且少有气孔缺陷。当不添加MCF时,磨痕表面不够光滑,明显有少量细小气孔和缺陷,且硬度较低的PTFE经过对磨小球的挤压,磨痕表面会发生变形。由于PTFE的承载能力差,对磨小球反复运动中在摩擦表面会产生轻微的犁沟(图9( a))。填充2%MCF时,磨痕表面较为均匀,但涂层硬度不够,磨痕较深,会有少量纤维拔出,导致表面不够平整。由于填充的MCF含量不够,在磨痕表面还存在细小颗粒,在摩擦过程中,会产生少量轻微且不连续的摩擦犁沟(图9(b))。当填充4%MCF时, 磨痕表面均匀致密。由于硬质材料MCF存在, 能显著减轻涂层的塑性变形,其磨痕深度较浅。填充适当质量分数的MCF易于分散在骨料和AP粘结剂中,且随着PTFE逐渐被磨损,MCF裸露在复合涂层表面承担部分载荷,有效保护聚合物基体不被磨损,从而使摩擦面变得更加均匀, 磨损率明显下降(图9(c))。当MCF含量为6%时,由于大量MCF存在,磨痕最浅。但过量的MCF不能有效地分散在骨料中,易出现团聚现象,导致MCF与PTFE骨料之间的结合力下降。在摩擦力破坏时, 过量MCF多表现为纤维拔出[22],并参与磨粒磨损,导致涂层表面凹凸不平(图9(d))。以上分析可知,MCF的掺入,显著提高了复合材料的耐磨性能,且含量为4%时,涂层的磨痕表面质量最好。

  • 图9 不同MCF含量下PTFE复合涂层磨痕SEM形貌

  • Fig.9 SEM of PTFE composite coating wear mark under different mass fraction of MCF

  • 3 结论

  • (1) 利用双-[γ-(三乙氧基硅基)丙基]四硫化物(Si69)混合液对CF表面进行改性处理。 Si69 能成功接枝到CF表面,形成一层致密的薄膜,使其表面变得更粗糙。 Si69 偶联剂的引入能明显提高CF表面活性,进而改善CF填充物与PTFE骨料之间的结合力。

  • (2) 改性碳纤维MCF能显著提高PTFE复合涂层的摩擦学性能,改善涂层表面质量。涂层的硬度和耐磨性能随着MCF增加而增大,摩擦因数也有所提高。当MCF含量为4%时,综合摩擦性能最好,涂层的硬度达到12.5 HV,摩擦因数为0.091。与未改性CF相比,填充效果显著提升,其磨损率仅为2.24×10-4 mm 3/(N·m),下降了37.8%,且涂层磨痕表面十分平整致密。

  • 参考文献

    • [1] SHI Y J,FENG X,WANG H Y,et al.Tribological proper-ties of PTFE composites filled with surface-treated carbon fi-ber[J].Journal of Materials Science,2007,42(20):8465-8469.

    • [2] 程梦萱,吕建峰,程鑫,等.聚四氟乙烯/MoS2 复合材料的制备及性能研究[J].广东化工,2020,47(3):1-2.CHENG M X,LU J F,CHENG X,et al.Preparation and properties of PTFE/MoS2 composite materials [J].Guang-dong Chemical Industry,2020,47(3):1-2(in Chinese).

    • [3] 章玉丹,丁庆军,赵盖,等.碳纤维改性 POB/PTFE 基超声电机耐磨涂层[J].塑料,2015,44(5):70-73.ZHANG Y D,DING Q J,ZHAO GAI,et al.Carbon fiber modified POB/PTFE based ultrasonic motor wear-resistant coating[J].Plastics,2015,44(5):70-73(in Chinese).

    • [4] TRABELSIM M,KHARRAT M,DAMMAK M.Impact of lubrication on the tribological behaviour of PTFE composites for guide rings application[J].Bulletin of Materials Science,2016,39(5):1205-1211.

    • [5] 吴昊,朱丽娜,岳文,等.PTFE 复合涂层的摩擦学性能及疏水性能研究现状[J].材料导报,2018,32(增刊 1):284-288.WU H,ZHU L N,YUE W,et al.Research status of tribo-logical properties and hydrophobic properties of PTFE com-posite coatings[J].Materials Herald,2018,32(S1):284-288(in Chinese).

    • [6] LIU Y D,KUMAR S.Recent progress in fabrication,struc-ture,and properties of carbon fibers[J].Polymer Reviews,2012,52(3-4):234-258.

    • [7] SUN S Y,HE Y D,WANG X D,et al.Flammability char-acteristics and performance of halogen-free flame-retarded polyoxymethylene based on phosphorus-nitrogen synergistic effects[J].Journal of Applied Polymer Science,2010,118(1):611-622.

    • [8] 谢苏江,谢文谦.石墨烯/聚四氟乙烯复合密封材料的制备及性能研究[J].润滑与密封,2018,43(9):104-107,140.XIE S J,XIE W Q.Preparation and performance study of graphene/polytetrafluoroethylene composite sealing materials [J].Lubrication and Sealing,2018,43(9):104-107+14(in Chinese).

    • [9] ZHANG Y Y,ZHANG Y Z,LIU Y,et al.A novel surface modification of carbon fiber for high-performance thermoplas-tic polyurethane composites [J].Applied Surface Science,2016,382:144-154.

    • [10] 董凤霞,侯国梁,刘亮,等.稀土改性对碳纤维增强聚酰亚胺复合材料在不同温度下摩擦学性能的影响[J].摩擦学学报,2017,37(2):148-154.DONG F X,HOU G L,LIU L,et al.Effect of rare earth modification on tribological properties of carbon fiber rein-forced polyimide composites at different temperatures [J].Journal of Tribology,2017,37(2):148-154(in Chi-nese).

    • [11] HE,W Y,SHI Y F,LIN J J,et al.Effects of poly(oxyeth-ylene)-block structure in polyetheramines on the modified carbon nanotube/poly(lactic acid)composites[J].Compos-ites Part A-applied Science and Manufacturing,2015,78:18-26.

    • [12] 王莉,黄应军,周柏青,等.改性碳纤维/有机硅复合材料的制备及力学性能研究[J].化工新型材料,2019,47(12):50-53.WANG L,HUANG Y J,ZHOU B Q,et al.Preparation and mechanical properties of modified carbon fiber/silicone com-posite materials [J].New Chemical Materials,2019,47(12):50-53(in Chinese).

    • [13] 李娜,李晓屿,刘丽,等.电泳沉积氧化石墨烯的碳纤维表面改性及其增强树脂复合材料界面性能[J].复合材料学报,2020,37(7):1571-1580.LI N,LI X Y,LIU L,et al.Surface modification of electro-deposited graphene oxide carbon fiber and its reinforced inter-face properties of resin composites[J].Journal of Compos-ites,2020,37(7):1571-1580(in Chinese).

    • [14] MOSEENKOV S I,KRASNIKOV D V,KAZAKOVA M V,et al.Modification of the surface of carbon fibers with multi-walled carbon nanotubes and its effect on mechanical charac-teristics of composites with epoxy resin[J].Russian Journal of Applied Chemistry,2016,89(12):1969-1977.

    • [15] 王新鹏,田莳.碳化硅纤维增强磷酸铝基复合材料的制备和性能研究[J].功能材料,2005(11):1693-1695+ 1700.WANG X P,TIAN S.Research on preparation and perform-ance of silicon carbide fiber reinforced aluminum phosphate composites[J].Functional Materials,2005(11):1693-1695+1700(in Chinese).

    • [16] FRANCK V,LLARIA B,ARNAUD T,et al.Reactivity of bis[3-(triethoxysilyl)propyl] tetrasulfide(TESPT)silane coupling agent over hydrated silica:Operando IR Spectrosco-py and Chemometrics Study[J].Journal of Physical Chemis-try C,2014,118(8):4056-4071.

    • [17] HUANG A,PENG X F,TURNG L.In-situ fibrillated polytetrafluoroethylene(PTFE)in thermoplastic polyure-thane(TPU)via melt blending:Effect on rheological behav-ior,mechanical properties,and microcellular foamability [J].Polymer,2018,134:263-274.

    • [18] 张万卿,李洪春,马海瑞.碳纤维增强聚四氟乙烯材料微观结构[J].火箭推进,2019,45(2):74-78.ZHANG W Q,LI H C,MA H R.Microstructure of carbon fiber reinforced PTFE material [J].Rocket Propulsion,2019,45(2):74-78(in Chinese).

    • [19] 裴高林,李红波,苏正涛.不同固体润滑填料对聚四氟乙烯性能的影响[J].工程塑料应用,2020,48(6):122-127.PEI G L,LI H B,SU Z T.The effect of different solid lubri-cating fillers on the properties of PTFE[J].Engineering Plas-tics Application,2020,48(6):122-127(in Chinese).

    • [20] HARRIS K L,PITENIS A A,SAWYER W G,et al.PTFE tribology and the role of mechanochemistry in the develop-ment of protective surface films[J].Macromolecules,2015,48(11):3739-3745.

    • [21] ZHANG X L,PEI X Q,ZHANG J P,et al.Effects of car-bon fiber surface treatment on the friction and wear behavior of 2D woven carbon fabric/phenolic composites[J].Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects,2009,339(1):7-12.

    • [22] 王瑞柳,徐广标,何越超.聚四氟乙烯(PTFE)纤维结构、性能与应用研究进展[J].纺织科学与工程学报,2018,35(3):113-117.WANG R L,XU G B,HE Y C.Research progress of polytetrafluoroethylene(PTFE)fiber structure,properties and applications [J].Journal of Textile Science and Engi-neering,2018,35(3):113-117(in Chinese).

  • 基本信息

    中图分类号: TH117.1
    文献标识码: A
    DOI: 10.11933/j.issn.1007-9289.20200718001
    文章编号: 1007-9289(2020)05-0090-09

    基金信息

    国家自然科学基金(51675232)；
    江苏省自然科学基金(BK20190611)；
    中国博士后基金(2020M681482)；
    Supported by National Natural Science Foundation of China (51675232)；
    Jiangsu Natural Science Foundation of China (BK20190611) ；
    China Postdoctoral Science Fundation(2020M681482)；

    引用信息

    蒋国强, 郭永信, 卞达, 等. 改性碳纤维的制备及其增强 PTFE 复合涂层摩擦学性能[J]. 中国表面工程, 2020, 33(5): 90-98.

    JIANG G Q, GUO Y X,BIAN D, et al. Preparation of modified carbon fiber and its influence on tribological properties of PTFE composite coating[J]. China Surface Engineering, 2020, 33(5): 90-98.

    稿件历史

    收稿日期: 2020-07-18

  • 参考文献

    • [1] SHI Y J,FENG X,WANG H Y,et al.Tribological proper-ties of PTFE composites filled with surface-treated carbon fi-ber[J].Journal of Materials Science,2007,42(20):8465-8469.

    • [2] 程梦萱,吕建峰,程鑫,等.聚四氟乙烯/MoS2 复合材料的制备及性能研究[J].广东化工,2020,47(3):1-2.CHENG M X,LU J F,CHENG X,et al.Preparation and properties of PTFE/MoS2 composite materials [J].Guang-dong Chemical Industry,2020,47(3):1-2(in Chinese).

    • [3] 章玉丹,丁庆军,赵盖,等.碳纤维改性 POB/PTFE 基超声电机耐磨涂层[J].塑料,2015,44(5):70-73.ZHANG Y D,DING Q J,ZHAO GAI,et al.Carbon fiber modified POB/PTFE based ultrasonic motor wear-resistant coating[J].Plastics,2015,44(5):70-73(in Chinese).

    • [4] TRABELSIM M,KHARRAT M,DAMMAK M.Impact of lubrication on the tribological behaviour of PTFE composites for guide rings application[J].Bulletin of Materials Science,2016,39(5):1205-1211.

    • [5] 吴昊,朱丽娜,岳文,等.PTFE 复合涂层的摩擦学性能及疏水性能研究现状[J].材料导报,2018,32(增刊 1):284-288.WU H,ZHU L N,YUE W,et al.Research status of tribo-logical properties and hydrophobic properties of PTFE com-posite coatings[J].Materials Herald,2018,32(S1):284-288(in Chinese).

    • [6] LIU Y D,KUMAR S.Recent progress in fabrication,struc-ture,and properties of carbon fibers[J].Polymer Reviews,2012,52(3-4):234-258.

    • [7] SUN S Y,HE Y D,WANG X D,et al.Flammability char-acteristics and performance of halogen-free flame-retarded polyoxymethylene based on phosphorus-nitrogen synergistic effects[J].Journal of Applied Polymer Science,2010,118(1):611-622.

    • [8] 谢苏江,谢文谦.石墨烯/聚四氟乙烯复合密封材料的制备及性能研究[J].润滑与密封,2018,43(9):104-107,140.XIE S J,XIE W Q.Preparation and performance study of graphene/polytetrafluoroethylene composite sealing materials [J].Lubrication and Sealing,2018,43(9):104-107+14(in Chinese).

    • [9] ZHANG Y Y,ZHANG Y Z,LIU Y,et al.A novel surface modification of carbon fiber for high-performance thermoplas-tic polyurethane composites [J].Applied Surface Science,2016,382:144-154.

    • [10] 董凤霞,侯国梁,刘亮,等.稀土改性对碳纤维增强聚酰亚胺复合材料在不同温度下摩擦学性能的影响[J].摩擦学学报,2017,37(2):148-154.DONG F X,HOU G L,LIU L,et al.Effect of rare earth modification on tribological properties of carbon fiber rein-forced polyimide composites at different temperatures [J].Journal of Tribology,2017,37(2):148-154(in Chi-nese).

    • [11] HE,W Y,SHI Y F,LIN J J,et al.Effects of poly(oxyeth-ylene)-block structure in polyetheramines on the modified carbon nanotube/poly(lactic acid)composites[J].Compos-ites Part A-applied Science and Manufacturing,2015,78:18-26.

    • [12] 王莉,黄应军,周柏青,等.改性碳纤维/有机硅复合材料的制备及力学性能研究[J].化工新型材料,2019,47(12):50-53.WANG L,HUANG Y J,ZHOU B Q,et al.Preparation and mechanical properties of modified carbon fiber/silicone com-posite materials [J].New Chemical Materials,2019,47(12):50-53(in Chinese).

    • [13] 李娜,李晓屿,刘丽,等.电泳沉积氧化石墨烯的碳纤维表面改性及其增强树脂复合材料界面性能[J].复合材料学报,2020,37(7):1571-1580.LI N,LI X Y,LIU L,et al.Surface modification of electro-deposited graphene oxide carbon fiber and its reinforced inter-face properties of resin composites[J].Journal of Compos-ites,2020,37(7):1571-1580(in Chinese).

    • [14] MOSEENKOV S I,KRASNIKOV D V,KAZAKOVA M V,et al.Modification of the surface of carbon fibers with multi-walled carbon nanotubes and its effect on mechanical charac-teristics of composites with epoxy resin[J].Russian Journal of Applied Chemistry,2016,89(12):1969-1977.

    • [15] 王新鹏,田莳.碳化硅纤维增强磷酸铝基复合材料的制备和性能研究[J].功能材料,2005(11):1693-1695+ 1700.WANG X P,TIAN S.Research on preparation and perform-ance of silicon carbide fiber reinforced aluminum phosphate composites[J].Functional Materials,2005(11):1693-1695+1700(in Chinese).

    • [16] FRANCK V,LLARIA B,ARNAUD T,et al.Reactivity of bis[3-(triethoxysilyl)propyl] tetrasulfide(TESPT)silane coupling agent over hydrated silica:Operando IR Spectrosco-py and Chemometrics Study[J].Journal of Physical Chemis-try C,2014,118(8):4056-4071.

    • [17] HUANG A,PENG X F,TURNG L.In-situ fibrillated polytetrafluoroethylene(PTFE)in thermoplastic polyure-thane(TPU)via melt blending:Effect on rheological behav-ior,mechanical properties,and microcellular foamability [J].Polymer,2018,134:263-274.

    • [18] 张万卿,李洪春,马海瑞.碳纤维增强聚四氟乙烯材料微观结构[J].火箭推进,2019,45(2):74-78.ZHANG W Q,LI H C,MA H R.Microstructure of carbon fiber reinforced PTFE material [J].Rocket Propulsion,2019,45(2):74-78(in Chinese).

    • [19] 裴高林,李红波,苏正涛.不同固体润滑填料对聚四氟乙烯性能的影响[J].工程塑料应用,2020,48(6):122-127.PEI G L,LI H B,SU Z T.The effect of different solid lubri-cating fillers on the properties of PTFE[J].Engineering Plas-tics Application,2020,48(6):122-127(in Chinese).

    • [20] HARRIS K L,PITENIS A A,SAWYER W G,et al.PTFE tribology and the role of mechanochemistry in the develop-ment of protective surface films[J].Macromolecules,2015,48(11):3739-3745.

    • [21] ZHANG X L,PEI X Q,ZHANG J P,et al.Effects of car-bon fiber surface treatment on the friction and wear behavior of 2D woven carbon fabric/phenolic composites[J].Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects,2009,339(1):7-12.

    • [22] 王瑞柳,徐广标,何越超.聚四氟乙烯(PTFE)纤维结构、性能与应用研究进展[J].纺织科学与工程学报,2018,35(3):113-117.WANG R L,XU G B,HE Y C.Research progress of polytetrafluoroethylene(PTFE)fiber structure,properties and applications [J].Journal of Textile Science and Engi-neering,2018,35(3):113-117(in Chinese).

    • 手机扫一扫看